双能量CT入门

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双能CT（DECT），也称为能谱CT或光谱CT（Spectral CT）。这一创新通过CT技术的进步而实现，其基础是Geoffrey Hounsfield在20世纪70年代最初进行的工作。DECT改善组织特征和评估材料成分的能力在20世纪70年代首次显示。然而，当时它的临床应用受到技术因素的限制，例如长时间的CT采集导致过度的运动伪影、高辐射暴露等等。 

DECT需要使用不同的光谱能量分布采集相同扫描容积的两个数据集，通常是低管电压（例如，70–100 kV）的数据集和高管电压（如，130–150 kV）数据集。因此，来自每个体素的数据分布将表示来自两个能量分布的光子，每个能量分布具有不同的能谱。对于当前的扫描仪，该技术可用于获取组织成分的附加信息，生成虚拟平扫图像，并通过生成碘图来提高碘衰减的显著性。从临床角度来看，这些进展可以减少为达到诊断（例如，肾囊肿评估）而进行的额外成像检查的数量，或通过剂量问题、时间问题或两者导致的次优增强来挽救CT检查。从多能X射线束生成虚拟单色数据集的选项也是有利的。在较低的千电子伏特水平（例如，40–50 keV）下尤其如此，这可以显著改善碘组织对比度。低keV和高keV单色图像的另一个优点是缺少多色X射线束特征的线束硬化伪影。 

物理概念 

要理解DECT的概念，重要的是了解传统CT的工作原理：使用单个X射线源和单个X射线探测器，并用宽范围的光子能量（多色或多能束）照射患者。光子的峰值能量由扫描设置指定（最常见的是120 kV），但与患者组织相互作用的光子的能量范围从接近零到峰值千电子电压。在大多数CT扫描仪上，120 kV多能束的平均入射光子能量约为60–90 keV。传统CT的最佳管电压设置是软组织对比度和噪声水平之间的折衷。低管电压设置（例如，70kV）具有高的软组织对比度（特别是对于含碘物质）和较低的辐射剂量，但它们产生较高的噪声水平。高管电压设置（例如，150kV）具有更高的辐射剂量和更低的噪声水平，并且可以更容易地穿透更密集的组织，例如骨骼；然而，它们降低了软组织对比度（即，低对比度可检测性）。 

DECT的概念包括使用两个明显不同的能谱（例如，70和150kV）顺序或同时成像，以弥补组织对比度和噪声之间的折衷，同时提供关于组织成分的额外信息。使用不同制造商的CT设备获取双能量数据集的准确扫描仪设置非常不同。 

辐射和物质相互作用的两个基本物理相关原理构成了DECT的基础。第一种是康普顿散射，主要是中能现象（非弹性散射），第二种是光电效应，主要是低能现象（图1）。

图1-显示CT电磁辐射最常见影响的图，包括康普顿散射和光电效应。通过光电效应发射的光子（用“1”表示）的能量不同于与来自K壳层的电子（用“K”表示）碰撞的附带光子的能量，从而在过程中将其移除。

光子发射后，来自L壳层（用“L”表示）的电子（用“2”表示）填充K壳层。康普顿散射发生在比光电效应更高的能级，并导致散射的X射线光子，部分能量转移到反冲电子中。实心箭头分别显示电子从一个壳层到另一个壳层以及从它们的壳层出来的运动；曲线箭头显示光子或X射线散射的运动。

康普顿散射 

康普顿散射是CT中的主要相互作用，它取决于电子密度（ρ），是指原子最外层（M壳层）中带电电子对入射X射线光子的散射。光子的部分能量被转移到反冲的外层电子，这导致光子的波长降低。在非常低的能量下，这种现象被称为汤姆逊散射，当入射光子既不改变带电电子的动能水平，也不改变散射光子的波长时，这种现象就会发生。 

光电效应 

光电效应代表了CT中X射线光子和物质之间的少量相互作用，它主要作用于具有高原子序数的元素，如碘、钡、钆和铅。由于这种效应，电子被吸收而不是散射。具体来说，具有适当能量的入射X射线光子遇到K壳层电子并将其从原子中喷出。随后，L壳层电子级联到K壳层，这导致X射线光子的发射，称为光电子。 

K壳层结合能K壳层结合能量对于周期表中的每个元素都是唯一的，并且与原子序数成比例地增加。在高于K壳层结合能的光子能级上，与低于K壳层结合能量的光子相比，光子更容易被吸收而不是散射，从而导致衰减的突然增加，称为K边界。 

物质中光电相互作用的概率由K壳层结合能决定，必须用入射光子的能量来近似。例如，碘中K壳层电子的结合能为33.2keV。与较高峰值千伏多能X射线束（例如140kV）相比，较低峰值千伏束（ 例如80kV）由更高百分比的X射线光子组成，能量约为33.2keV，这导致光电相互作用的百分比更高，因此碘的衰减更高。对于有机物质，如碳、氧和氮，它们是体内最丰富的原子，K边界非常低（＜10keV），基本上与70到150kV的X射线束没有光电相互作用。由于K边界与原子序数相关，因此可以根据在不同能级下观察到的衰减程度得出关于元素的信息（表1）。如果K边界存在足够的差异，则在两个不同的能量水平上观察元素的衰减（例如，通过使用两个不同峰值千伏来获取CT数据集）可以帮助区分两个元素。这通常称为基于CT数比的光谱分离（图2）。钛和钴铬合金等常用于或椎弓根植入物的金属具有相似的K边界，因此分离目前并不有用。

表1：具有双能量成像重要特征的常见人体成分元素和造影剂

图2-图显示了材料分解的原理。

沿着y轴和x轴绘制低能量和高能量图像中典型遇到的材料的CT数量。标识线或相等线（虚线）的斜率为1，并显示两个CT值相同的值。在人体中，空气（−1000 HU）和水（0 HU）是沿着这条线的相关材料。图中显示了距离更远的元素；通过双能成像和材料分解更容易分离它们。虚线表示视觉提示水在任一单能光谱中均为0 HU。

结果：不同的图像类型根据采集方法，可以在投影域（使用来自扫描仪的原始数据）或在图像或原始数据域中执行后处理。使用这些数据集，可以重建三种不同类型的图像。 

第一种类型由看起来类似于在120kV下采集的标准CT图像的图像组成，可用于常规临床解释。这些图像通常被称为混合或组合图像，它们是通过两个不同峰值千伏采集数据的线性混合来实现的，无论是通过快速kV切换、双源技术还是双层技术采集的。 

第二种类型由虚拟单色图像（VMI）组成，它模拟了使用真正的单能X射线源可以获得的图像。这些虚拟的单色X射线束由具有类似能量的光子组成，以千电子伏特表示（表2），而不是多色X射线光束，其具有大范围的光子能量，最终达到峰值千伏。

表2：虚拟单色图像（VMI）重建的理想keV值，取决于图像结构或疑似病理

在75keV下重建的VMI被认为在外观上近似等同于在120kV下采集的常规图像。然而，VMI的优点在于，根据所使用的算法，图像可以具有较低的噪声水平，并且它们不会产生束硬化伪影。利用K边界成像原理，在33.2keV下接近碘的K边界重建的低能量VMI显示出含碘结构的显著更高衰减，可用于优化血管过度病变和实质以及血管的增强（表3）。相反，高能VMI可用于减少金属植入物或高密度对比材料引起的混叠或条纹伪影以及钙引起的晕染伪影。

表3：用于区分病理学和无危害对应物的碘阈值临界值

第三种类型由从双能量数据集创建的材料分解图像组成。最常用的图像对是水和碘（即，仅水和仅碘），这可以理解为彼此的镜像。生成碘图后，可以减去该数据并生成虚拟平扫图像。

碘图是通过利用水和碘的明显不同的K边界（分别接近0和33.2keV）创建的，然后可以以灰度（允许在体模研究中验证碘浓度测量值）或在解剖图像上以彩色叠加显示，用于定性评估。

临床价值 

肌肉骨骼应用 

在肌肉骨骼成像中，高能虚拟单能成像有助于减少金属植入物（如脊柱重建或关节成形术）的混叠或条纹伪影，从而提高植入物附近松动螺钉或过程的可检测性，如脓肿（图3）。

图3脊柱重建术后获得的门静脉期腹部CT图像。

A、正常混合图像显示大量金属伪影（箭头）覆盖左肾，门静脉对比良好（箭头）。B、在50keV下获得的A中所示同一切片的虚拟单能量图像显示出高门静脉对比度（箭头）和大量金属伪影（箭头）。C、在150keV下获得的A中所示同一切片的虚拟单能量图像显示金属伪影（箭头）和门静脉对比度（箭头）的减少。

CT关节造影可以从碘图中获益。这方面的一个例子是能够区分穿透唇或肩袖撕裂的造影剂与钙化结构。

可以说，肌肉骨骼成像中最常用的诊断工具是尿酸物质分解成像，以识别痛风晶体，特别是对于具有非典型临床表现的患者（图4）。

图4：疑似痛风引起的第一指间关节痛风患者。

A、等效于120 kV下采集的单次能量扫描的混合CT图像显示痛风石（箭头）。B、用于突出显示尿酸盐晶体的材料分解图像（箭头所示的绿色区域）证实了常规CT扫描中看到的病变是痛风引起的痛风。

骨髓水肿可以使用分离钙的物质分解图像来量化；这有助于诊断急性疾病（如骨折）和慢性过程（如轴性脊椎关节炎）以及肿瘤学应用（如多发性骨髓瘤的评估）。此外，韧带和肌腱由于其独特的胶原蛋白含量，可以通过材料分解图像突出显示，胶原蛋白侧链由密集的羟脯氨酸和羟基赖氨酸组成，因此可以与周围肌肉和骨骼中的水和钙分离。 

血管和心脏应用 

如前所述，VMI可用于优化血管的对比增强。这尤其有助于改善肾功能不全患者的增强效果，他们可能会接受减少剂量的造影剂。它也可能是一种工具，用于改善因居住面积大而导致血管对比度不佳的患者或低辐射剂量采集的儿童的血管系统描述。 

此外，它可以实现低对比剂剂量成像，用于复杂的术前计划，如经主动脉瓣置换术、主动脉异常评估，以及具有复杂生理增强轮廓的血管结构，如门静脉。 

虚拟平扫图像在急性血管急症中很有帮助，例如，接受主动脉夹层评估的患者需要非增强图像来评估壁内血肿。此外，对于临床上未怀疑解剖但在造影增强图像上可见的病例，虚拟平扫图像可以显示壁内血肿，而无需额外的CT。 

疑似出血（如胃肠道出血）的可视化是与碘图结合使用的虚拟平扫成像的另一个应用。具体而言，虚拟平扫图像可以确认或提高确定造影图像上肠腔中出现的过度衰减病灶是否为固体、增强肿块或摄入物质的信心。 

当在虚拟平扫图像（如肝脏或大脑）上识别出过度衰减的病变时，碘图可能有助于检测造影剂的活性外渗。此外，通过在碘图上显示肠壁增强程度降低，可以改善急性肠缺血的关键诊断。 

对于胸部，基于碘图的图像可用于将血管分析与实质增强功能评估相结合，这有助于可视化肺灌注，突出肺栓塞，并显示肺动脉高压引起的变化（图5）。

图5-双能CT（DECT）在肺栓塞评估中的应用。

A、标准混合图像显示左肺动脉亚段（箭头）和典型的汉普顿峰（Hampton hump，箭头）的充盈缺损。B、DECT图像显示了汉普顿峰（实线箭头）仍然可见的肺灌注分析，以及其他清晰描绘的楔形灌注缺陷（虚线箭头）。C、DECT图像显示带有栓子（箭头）的血管内脱落（红色区域）的血管分析，箭头显示汉普顿峰。D、DECT图像提供了肺部的3D印象，并以红色显示楔形灌注缺陷（虚线箭头）。箭头表示肺动脉有充盈缺损。

DECT在心脏成像中有多种用途，包括通过虚拟单能量成像减少金属伪影，通过碘图评估提供心脏灌注信息，并通过材料分解实现动脉粥样硬化斑块分析。 

肿瘤学成像应用 

低能量VMI可用于增加病变的显著性，尤其是在肝脏和胰腺的血管过度病变中，如肝细胞癌和泛神经内分泌肿瘤（图6）。或者，它可能有助于检测通常表现为实质性高强化的器官中发生的低强化肿瘤，如胰腺导管腺癌。

图6-神经内分泌肿瘤多发性肝转移患者。

A、门静脉期DECT图像显示，尽管许多病变很明显，但有些很难发现（箭头），尽管坏死部分很清楚（箭头）但活组织的边缘很难识别。B–D，在50keV（B）下获得的虚拟单色图像显示病变比A上看到的更明显。虚拟平扫图像（C）对应于碘图（D），显示病变包含碘，而不是其他高衰减材料。这些图像是使用第一代双源CT获得的，较小的FOV（黄色圆圈，D）不能覆盖整个解剖结构（虚线箭头，B–D）。实心箭头指向A–D中的中心坏死病变，箭头指向在50keV图像（B）和碘图（D）上比在传统图像A中更容易区分的病变。

虚拟平扫图像和碘图可用于评估肾脏和其他囊性病变。虚拟平扫图像可用于表征过度衰减的病变，否则可能需要进行额外的平扫CT或MRI以确认出血性囊肿。相反，碘图可以确认肾损伤过度减弱时造影剂的存在，从而增加恶性肿瘤的可能性，并为活检、消融术或切除提供更可靠的建议。对于肾上腺偶发瘤和卵巢囊肿，可以采取类似的方法（图7）。

图7：多发卵巢囊肿患者。

A、混合双能量CT图像显示，一个囊肿（箭头）弥漫性过度减弱B和C，虚拟平扫图像（B）显示囊肿（箭头的内部轻微过度减弱，碘图（C）显示囊肿内无造影剂（箭头），从而能够对出血性囊肿进行可靠诊断。

其他应用

低能VMI有助于评估肠和膀胱壁的完整性，以及增加等衰减胆结石的显著性。

当肠壁碘浓度显著增加时，与正常肠相比，炎症性肠病可使用虚拟平扫图像和碘图进行评估。

根据尿酸和钙的衰减值，可以使用物质分解成像对肾结石进行识别和分类（图8）。

图8-双能CT评估肾结石。

A、混合图像清晰显示左肾结石（箭头）。B、DECT图像显示了与骨中钙相似的特性，这使得能够可靠地诊断钙基结石（例如草酸钙）（箭头）。

铁含量可通过物质分解来绘制，以确定肝脏和心肌中的铁过载，以及色素沉着绒毛结节性滑膜炎、血友病关节病等。

DECT的一个新兴应用存在于CT结肠造影中，其中标记的粪便材料可以提供结肠管腔的无伪影可视化，材料分解可以用于去除清洁剂引起的伪影。

挑战器官系统在肌肉骨骼成像中，定位患者时需要特别注意；当对痛风晶体成像时，被检查的肢体不应放在身体或头部旁边，因为这会通过线束硬化引入伪影。甲床和皮肤老茧也可以模拟尿酸盐沉积，但通常通过记录位置或检查标准灰度图像很容易排除它们。在硬化区域，如退行性疾病或骨皮质，骨折分析可能具有挑战性，因此很难评估小的撕脱性骨折。 

尽管评估肝脏中的脂肪和铁含量是DECT的有效应用，但如果脂肪和铁都存在，则此类评估很复杂。含有脂肪的组织的表示通常取决于体内发生的射束硬化量，因此其精度可能会有所不同。 

DECT难以评估多发性骨髓瘤的弥漫性骨髓浸润，而虚拟去钙算法可能无法评估病变活力。只有黄骨髓可以很好地成像，因为它的CT值与钙的CT值相差很大（CT值为20比33HU）；红骨髓不能很好地观察。这可能会使年轻患者的椎骨骨髓评估变得不可靠。 

血管管腔和钙化斑块之间的区别对于评估心脏（如冠状动脉疾病）和下肢（如外周动脉疾病）的小血管非常重要。然而，由于碘和钙的K边界相对相似，小血管直径、运动的存在（尤其是冠状动脉）或这两个发现的组合使得DECT难以应用。 

采集系统 

某些DECT采集方法更容易受到运动伪影的影响。这对于心脏和肺应用尤其具有挑战性，外周静脉。双源系统的一个挑战是，由于第二个探测器的尺寸减小，需要强调患者居中的重要性。 

kV快速切换和基于双层探测器的DECT系统的双能量分辨率比双源系统低，因此可能需要比单能量成像中使用的辐射剂量更高的辐射剂量。 

图像噪声是所有DECT系统的问题。提高图像质量的一种方法是执行图像混合，其中从来自两个能级的不同量（通常为50%）的数据重建图像，从而产生类似于120kV的单个能量采集的噪声。与混合图像相比，单个能量输出的噪声水平增加了两倍。重新缩放图像以表示实际的对比度水平，例如碘图的对比度，会进一步增加噪声水平。这使得应用去噪算法对于以诊断质量水平显示图像是必要的。 

许多实践没有对大患者（例如体重>118千克的患者）进行DECT，因为大体型导致额外的光子饥饿。然而，如果成像能够解决特定问题（例如，增加造影剂的用量或调整注射时间），许多应用对于肥胖患者是可行的。 

尽管VMI上测得的衰减值与软组织单能量CT上的衰减值相对相似，但对于高衰减材料（如骨骼或主动脉等明显增强的结构）而言，它们的准确度较低，显示出的测量值低于高能单能量CT图像上的测量值。 

临床DECT成像工作流程因机构而异，与单能量CT相比，技术人员需要更多时间来进行DECT，尤其是在需要额外重建或后处理的情况下。 

类似地，为放射科医生在PACS中审查提供的大量图像系列可能会增加已经繁忙的临床环境中的工作量。然而，如果患者能够回顾并避免额外的检查，DECT在长期内可能是有益的。这需要严格的协议实施，并对技术人员和放射科医生进行关于最有效和有益工作流程的教育。

结  论 

DECT基于复杂的物理概念，但在患者的临床评估中可以是非常有用的工具，增加CT的价值，并可能避免额外的成像。在DECT的应用中存在一些挑战，但大多数挑战可以通过应用优化的技术和实施严格的采集和读取工作流来克服。

参考文献： https://www.arrs.org/shoparrs/products/CC21DECT_sample.pdf  仅供专 业人士交流目的，不用于商业用途。